Simulation atomistique et modélisation micromécanique des couplages chimio-mécaniques en présence de défauts cristallins

Atomistic simulation and micromechanical modeling of chemo-mechanical couplings in presence of crystalline defects

• Auteur / Autrice : Joe Petrazoller
• Direction : Thiebaud Richeton, Julien Guénolé
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DEPARTEMENT 2 : Ingénierie des Microstructures, Procédés, Anisotropie, ComportemenT (IMPACT)

Mots clés

Mots clés libres

Soluté

Joint de grains

Dislocation

Simulation atomistique

Micromécanique

Plasticité cristalline

Solute

Grain boudaries

Dislocation

Atomistic simulation

Micromechanic

Crystal plasticity

Résumé

Les propriétés mécaniques, physiques et chimiques des polycristaux métalliques sont fortement influencées par les interactions mutuelles entre les défauts de la microstructure comme les atomes de solutés, les dislocations et les joints de grains. En particulier, la ségrégation des atomes de soluté aux joints de grains affecte de manière significative plusieurs de leurs propriétés comme leur énergie, leur cohésion ou leur mobilité, et modifie en conséquence le comportement du matériau du point de vue de sa résistance intergranulaire ou de sa capacité à recristalliser. Les interactions entre atomes de soluté et dislocations ont également de multiples conséquences, notamment sur la transmission du glissement aux joints de grains et la formation d'instabilités de déformation. Ainsi, la compréhension des couplages chimio-mécaniques entre atomes de soluté et les défauts à une (dislocation) ou deux (joint de grains) dimensions est un prérequis fondamental afin d'aider à la conception de nouveaux matériaux répondant aux défis environnementaux futurs, comme par exemple concernant le transport et le stockage de l'hydrogène. Dans cette thèse, nous souhaitons évaluer à l'échelle atomique les effets discrets de la présence d'atomes de soluté sur les énergies d'excès et les champs élastiques de défauts cristallins. Nous nous reposerons sur les méthodes de statique moléculaire, de nudge elastic band (NEB) et de dynamique moléculaire qui permettent l'étude des interactions entre défauts et interfaces. En parallèle, nous souhaitons développer des modèles continus d'interactions entre atomes de soluté, dislocations et joints de grains en élasticité anisotrope. Les joints de grains seront modélisés par des arrangements de dislocations pour les joints de faible désorientation et des arrangements de désinclinaisons pour les joints de forte désorientation. Les atomes de soluté seront décrits comme des inclusions d'Eshelby avec des déformations libres purement dilatationnelles en première approximation ou avec des déformations libres plus générales déduites de simulations atomistiques. La connaissance de ces déformations libres permettra de calculer les champs élastiques à longue distance dus aux solutés ainsi que les interactions élastiques avec les autres défauts de la microstructure. Les champs élastiques des dislocations seront eux calculés à l'aide des méthodes de Stroh en élasticité anisotrope 2D. Enfin, il est prévu d'étendre la méthode thermodynamique de surface de division de Gibbs afin de calculer l'énergie d'excès aux joints de grains en présence de solutés. L'ensemble de ces méthodes continues seront itérativement enrichies et validées par les simulations discrètes à l'échelle atomique. Les applications concerneront pour commencer des systèmes relativement simples et connus, tel que les solutés d'Al dans une matrice de Cu, pour aller rapidement vers des systèmes plus complexes à fort potentiel. Le choix de différents types de système permettra de tester et valider la robustesse des transferts entre les approches atomistiques et micromécaniques.

The mechanical, physical and chemical properties of metallic polycrystals are strongly influenced by the mutual interactions between microstructural defects such as solute atoms, dislocations and grain boundaries. In particular, the segregation of solutes at grain boundaries significantly affects several of their properties such as their energy, cohesion or mobility, and consequently modifies the behavior of the material in terms of its intergranular strength or its ability to recrystallize. The interactions between solutes and dislocations also have multiple consequences, especially on slip transmission at grain boundaries and the development of deformation instabilities. Thus, understanding the chemo-mechanical couplings between solutes and one- (dislocation) or two-dimensional (grain boundary) defects is a fundamental prerequisite to help design new materials addressing future environmental challenges, such as hydrogen transport and storage. In this Phd thesis, we wish to evaluate at the atomic scale the discrete effects of the presence of solutes on the excess energies and elastic fields of crystal defects. We will rely on molecular statics, nudge elastic band (NEB) and molecular dynamics methods that allow the study of interactions between defects and interfaces. In parallel, we wish to develop continuum models of interactions between solutes, dislocations and grain boundaries in anisotropic elasticity. Grain boundaries will be modeled by dislocation arrangements for low misoriented boundaries and disclination arrangements for high misoriented boundaries. Solutes will be described as Eshelby inclusions with purely dilational eigenstrains in a first approximation or with more general eigenstrains deduced from atomistic simulations. The knowledge of these eigenstrains will allow the calculation of the long range elastic fields due to solutes as well as the elastic interactions with other defects of the microstructure. The elastic fields of the dislocations will be computed using Stroh methods in 2D anisotropic elasticity. Finally, it is planned to extend the concept of the Gibbs' dividing surface in order to calculate the excess energy at grain boundaries in the presence of solutes. All these continuum methods will be iteratively enriched and validated by the discrete simulations at the atomic scale. The applications will initially concern relatively simple and known systems, such as Al solutes in a Cu matrix, and will rapidly move towards more complex systems with high potential. The choice of different types of systems will allow to test and validate the robustness of the transfers between atomistic and micromechanical approaches.